C++模板编译模型

一：传统的编译模型

使用C/C++进行编程时，一般会使用头文件以使定义和声明分离，并使得程序以模块方式组织。将函数声明、类的定义放在头文件中，而将函数实现以及类成员函数的定义放在独立的文件中。

但是对于模板来说，这种方式是行不通的，具体的例子如下：

首先是包含模板声明的头文件temp.h：

//temp.h

#ifndef TEMP_H
#define TEMP_H

template<typename T>
int compare(const T &a, const T &b);

template<typename T>
class testtemp
{
public:
    testtemp(const T &a):m_value(a){}
    void display();

private:
    T   m_value;
};

#endif

　　  该头文件中包含了一个函数模板的声明，以及一个类模板的定义。

下面是包含模板定义的源码文件temp.cpp：

//temp.cpp

#include <iostream>
#include "temp.h"

template<typename T>
int compare(const T &a, const T &b)
{
    if (a < b)  return -1;
    if (b < a)  return 1;
    return 0;
}

template <typename T>
void testtemp<T>::display()
{
    std::cout << m_value << std::endl;
}

下面是主函数文件main.cpp：

//main.cpp

#include <iostream>
#include "temp.h"

int main()
{
    int a = 1, b = 3;
    int res;

    testtemp<int> tt(4);
    tt.display();

    res = compare(a, b);
    std::cout << "res is " << res << std::endl;
}

　　

对上面的文件编译生成可执行文件时，会报错：

# g++ -o main main.cpp temp.cpp

/tmp/ccNwfO8x.o: In function `main':

main.cpp:(.text+0x47): undefined reference to `testtemp<int>::display()'

main.cpp:(.text+0x5a): undefined reference to `int compare<int>(int const&, int const&)'

collect2: error: ld returned 1 exit status

　　

报错的原因如下：

C++中每一个对象所占用的空间大小，都是在编译的时候就确定的。在编译阶段，源码文件main.cpp将包含模板声明的头文件temp.h包含进来之后，编译器就需要为main.cpp中涉及到的每个对象生成合适的内存布局，为每个函数生成相应的指令。

当源码文件main.cpp中涉及到模板类成员函数或者模板函数的调用时，因为模板函数的定义在另一个源码文件temp.cpp中，编译器目前仅仅知道它们的声明。所以，在main.cpp中调用到的的testtemp<int>::display函数，以及int compare<int>(int const&, int const&)函数，编译器认为这些函数的实现是在其他源码文件中的，编译器不会报错，因为连接器会最终将所有的二进制文件进行连接，从而完成符号查找，形成一个可执行文件。

尽管编译器也编译了包含模板定义的源码文件temp.cpp，但是该文件仅仅是模板的定义，而并没有真正的实例化出具体的函数来。因此在链接阶段，编译器进行符号查找时，发现源码文件中的符号，在所有二进制文件中都找不到相关的定义，因此就报错了。

二：模板的编译模型

当编译器看到模板定义的时候，它不立即产生代码。只有在看到用到模板时，如调用了函数模板或调用了类模板的对象的时候，编译器才产生特定类型的模板实例。

一般而言，当调用函数的时候，编译器只需要看到函数的声明。类似地，定义类类型的对象时，类定义必须可用，但成员函数的定义不是必须存在的。因此，应该将类定义和函数声明放在头文件中，而普通函数和类成员函数的定义放在源文件中。

模板则不同：要进行实例化，编译器必须能够访问定义模板的源代码。当调用函数模板或类模板的成员函数的时候，编译器需要函数定义，需要那些通常放在源文件中的代码。

标准 C++ 为编译模板代码定义了两种模型。分别是包含编译模型和分别编译模型。

所谓包含编译模型，说白了，就是将函数模板的定义放在头文件中。因此，对于上面的例子，就是将temp.cpp的内容都放到temp.h中。

包含编译模型有个问题，如果两个或多个单独编译的源文件使用同一模板，这些编译器将为每个文件中的模板产生一个实例。因此给定模板会产生多个相同的实例，在链接的时候，编译器会选择一个实例化而丢弃其他的。

在分别编译模型中，编译器会为我们跟踪相关的模板定义。但是，我们必须让编译器知道要记住给定的模板定义，因此需要使用 export 关键字。但是，实际上很多编译器都不支持这个关键字，而且C++11 将这个关键字设置为 unsued 和 reserved 了。

所以，结论就是，把模板的定义和实现都放到头文件中。

参考：

http://gaunthan.leanote.com/post/C-%E6%A8%A1%E6%9D%BF%E7%9A%84%E7%BC%96%E8%AF%91%E6%A8%A1%E5%9E%8B

https://www.zhihu.com/question/20630104